基于CFD的HLA835g轉(zhuǎn)輪裂紋動應(yīng)力分析

摘要： HLA835g水輪機增容改造運行投運后，連續(xù)4年均出現(xiàn)較嚴重裂紋。為分析裂紋成因，采用CFD技術(shù)進行分析，替代動應(yīng)力實測;進行數(shù)值計算分析，分析葉片產(chǎn)生裂紋疲勞原因，提出改進意見。

關(guān)鍵詞：葉片裂紋;CFD分析，動應(yīng)力數(shù)值求解;控制措施

0概況

楓樹壩電站位于廣東省龍川縣境內(nèi)東江上游干流，它是以防洪、供水、灌溉為主兼顧發(fā)電航運的綜合樞紐工程。流域面積5150km2。二號水輪機型號為HLA83g-LJ-419，由哈爾濱電機廠有限公司生產(chǎn)，轉(zhuǎn)輪葉片材料為ZG00Cr13Ni4Mo，13個葉片。機組額定轉(zhuǎn)速136.4r/min，設(shè)計額定水頭為61m，水輪機額定出力88Mw;，最大出力為102Mw，采用尾水管十字架和大軸中心自然補氣方式，于2009年5月11日改造后投產(chǎn)。

水輪機運行18個月后的2010年檢查性大修，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪6個葉片出現(xiàn)貫穿性裂紋，至2015年底，先后發(fā)生嚴重程度不等的貫穿性裂紋損害，通過裂紋發(fā)生部位、裂紋性狀、力學特征等分析，轉(zhuǎn)輪葉片為疲勞性裂紋。分析裂紋的成因，其構(gòu)成因子較為復(fù)雜，其中主要原因為葉片裂紋發(fā)生部位在周期性為主的低頻交變動應(yīng)力作用下，在殘余應(yīng)力助推下，在葉片結(jié)構(gòu)強度最薄弱處首先產(chǎn)生微裂紋，然后擴展形成穿透裂紋。間接原因為葉片進出水邊設(shè)計制造的強度不足，焊接存在殘余應(yīng)力，水輪機不利運行工況等;因此對作用于葉片部位的動應(yīng)力進行CFD計算數(shù)值分析計算，得出各工況下的動應(yīng)力數(shù)值;再與設(shè)計許用應(yīng)力值比較，便可獲得裂紋產(chǎn)生力學原因，繼而采取相應(yīng)的控制措施消除裂紋損害。

1 動應(yīng)力研究的選取方法

水輪機轉(zhuǎn)輪動應(yīng)力研究主要有理論研究、真機測量、數(shù)值模擬仿真;真機運行中水輪機轉(zhuǎn)輪是在周期旋轉(zhuǎn)運動的，靜應(yīng)力分析不能分析整個動態(tài)的過程，也不能準確的計算出轉(zhuǎn)輪在實際運行中應(yīng)力情況，所以必須進行轉(zhuǎn)輪的動應(yīng)力數(shù)值計算或測量。傳統(tǒng)葉片的動應(yīng)力數(shù)值獲得方法有應(yīng)力實測，但在真機實測時較為復(fù)雜，需將應(yīng)力片固定于葉片的適當位置，采用有線或無線傳送，在各工況運行時進行采集，工程上實現(xiàn)較為困難;而采用成熟的CFD分析預(yù)測技術(shù)，即根據(jù)定常和非定常流動分析結(jié)果，本項目采用對該水輪機按水頭、出力、流量組合的12個典型工況進行了動應(yīng)力分析。

1.1計算模型如下：

1.2葉片相關(guān)材料及約束

2#轉(zhuǎn)輪葉片為研究對象，進行葉片模態(tài)分析。該轉(zhuǎn)輪的主要參數(shù)如下：

為了使所建葉片模型能與結(jié)構(gòu)的安裝、固定以及在各種工況下的受力情況相符，需要對葉片的邊界進行處理。在求解過程中處理葉片位移約束時，因為其兩個端面與上冠和下環(huán)是通過焊接連接的，所以采用全約束作用在兩個端面上，即ux = uy=uz，力的約束主要有重力約束，葉片彈性模量E為 210GPa，泊松比μ 為 0.3。

1.3動水壓力載荷的施加

葉片表面壓力隨時間發(fā)生變化，動水壓力載荷按照以下步驟進行：

（l） 根據(jù)非定常流動分析的結(jié)果，取出各時刻有限元模型上葉片表面各節(jié)點處的水壓力值，進行處理后建立各時刻水壓力載荷文件。

（2） 在有限元前處理文件中，建立水壓力載荷數(shù)組，通過各時刻水壓力載荷文件給水壓力載荷數(shù)組賦值。

（3） 在不同時刻，將葉片壓力加載至計算網(wǎng)個節(jié)點上，并寫入時間載荷步文件。

受限于計算機容量，設(shè)定葉片幾何模型的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為90773 個，計算了一個轉(zhuǎn)輪周期內(nèi)轉(zhuǎn)輪動應(yīng)力的變化 ，轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速為136.4r/min，轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)周期為0.44s，與非定常流場計算相對應(yīng)，對轉(zhuǎn)輪的瞬態(tài)動力分析也采用每個周期分為120個時間步，然后計算出每一步的時間步長為=0.003366569s。

2 計算結(jié)果分析

圖2-1列出了最低水頭下工況（II，H49_Q105_P45MW）一個周期內(nèi)不同時刻轉(zhuǎn)輪葉片的最大等效應(yīng)力云圖。從圖中可以看到轉(zhuǎn)輪中應(yīng)力集中的部位主要在葉片進出口與轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)的連接處。其余工況情況類似。在實際的電站運行中，也基本都是這些部位附近最先受到破壞。與葉片頭部相比葉片尾部更薄一下，剛度較差更容易受到破壞。因此在葉片進出口與轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)的連接處設(shè)置了4個跟蹤點，分析這4個點應(yīng)力值隨時間的變化規(guī)律。

圖 2-2到2-3 為不同水頭不同出力工況下轉(zhuǎn)輪葉片危險部位一個轉(zhuǎn)輪周期內(nèi)的應(yīng)力時間歷程。限于篇幅，每個水頭僅列出2個工況點計算結(jié)果。從圖中可以看出，各點動應(yīng)力的變化規(guī)律基本相似，只是波動幅度不一致，同時我們還可以發(fā)現(xiàn)，四個危險部位中動應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在葉片出水邊也上冠的連接處，其次是葉出進出水邊與下環(huán)的連接處，動應(yīng)力最小值在葉片進口與上冠的連接處 。

由于最大應(yīng)力值發(fā)生在轉(zhuǎn)輪葉片進口與上冠連接處，圖2-4為不同工況下最大應(yīng)力點附近應(yīng)力分布的變化圖，表2-6給出了各工況下動應(yīng)力最大值。

由上表可知，動應(yīng)力的最大值都出現(xiàn)在相應(yīng)水頭條件下的低負荷渦帶工況區(qū)。在額定水頭下，工況IV下的動應(yīng)力值最大，為164.3 MPa，在最大水頭下，工況IV下的動應(yīng)力值最大，為168.8 MPa，在最小水頭下，工況III下的動應(yīng)力值最大，為170.3 MPa。

圖2-3到2-5是各個工況轉(zhuǎn)輪危險部位動應(yīng)力經(jīng)過FFT分析的頻譜圖。而圖中顯示，額定水頭條件下，工況II的動應(yīng)力主頻包括8.53Hz，19.18 Hz，29.84Hz分別為轉(zhuǎn)輪主頻的4倍，8倍和葉倍頻，工況III的動應(yīng)力主頻包括8.53Hz，21.32Hz，29.84Hz分別為轉(zhuǎn)輪主頻的4倍，8倍和1倍葉倍頻，工況IV的動應(yīng)力主頻包括8.53Hz，21.32Hz，29.84Hz分別為轉(zhuǎn)輪主頻的4倍，8倍和1倍葉倍頻。同樣分析其它水頭部分負荷工況下的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，葉片出水邊與上冠連接處的動應(yīng)力頻率都包含29.84Hz的一倍葉倍頻，如果水輪機長期在低負荷工況下運行，葉片出水邊和上冠連接處在轉(zhuǎn)輪運行過程中要承受交變的動應(yīng)力，而且葉片出水邊較薄，剛度較低，因而也更容易發(fā)生疲勞破壞。

對單個葉片和整個轉(zhuǎn)輪分別作模態(tài)分析，在流場計算的基礎(chǔ)上，對單個葉片和整體轉(zhuǎn)輪和進行了靜應(yīng)力分析，得出葉片出水邊是葉片振動敏感區(qū)域，1-10 階振型最大位移皆發(fā)生在葉片出水邊位置。對2#水輪機在不同工況下的轉(zhuǎn)輪進行了瞬態(tài)動應(yīng)力分析。主要結(jié)論如下：

（1） 轉(zhuǎn)輪在流場壓力作用下，存在四個應(yīng)力集中區(qū)，因葉片進水邊與上冠及下環(huán)連接處因葉片較厚，強度基本不影響，但在葉片出水邊與上冠連接處，葉片出水邊和下環(huán)連接處的應(yīng)力影響極大，這些區(qū)域葉片較薄，與實際電站中轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生裂紋的部位一致，這些區(qū)域?qū)C組振動反應(yīng)最為敏感。當這幾個區(qū)域的動應(yīng)力較大時，葉片極容易發(fā)生裂紋問題。

（2） 本次計算最大應(yīng)力點出現(xiàn)在葉片出水邊與上冠連接點，最大動應(yīng)力值為170.3MPa它發(fā)生的頻率包含29.84Hz的葉倍頻，由于葉片出水邊葉片較薄，剛度較低，因而更容易發(fā)生疲勞破壞。

3結(jié)論

由表2-6計算結(jié)論可知，有3個工況點最大動應(yīng)力值超過160 MPa，超過了材料的許用應(yīng)力206.7 MPa的75%，極易引起葉片的疲勞破壞。

4改善和消除裂紋發(fā)生的控制措施

（1）加強轉(zhuǎn)輪葉片修復(fù)中焊接質(zhì)量的監(jiān)督管理，嚴格按焊接工藝方案作業(yè)，確保焊接修復(fù)的質(zhì)量。修復(fù)葉片時，適當加厚焊接區(qū)域葉片出水邊的厚度。

（2）對葉片進行補強，在葉片出水邊加焊三角塊增加強度。

（3）在試驗及計算基礎(chǔ)上，改善補氣裝置，消除葉道渦和渦帶引起的水力振動等不利工況對誘發(fā)裂紋產(chǎn)生的不利因數(shù)。

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作者簡介：劉國章（1971.01.27—），性別：男。籍貫：江蘇泰州;民族;漢。學歷大專;職稱：工程師 職務(wù)：副主任，研究方向：水能動力。